Überwachung elektromechanischer Schaufeln im Tagebau

Daniel Ramírez, CADETECH S.A.

"Die Überwachungsanwendung auf der CompactRIO-Plattform kann nach den besten Messzeiträumen suchen und das Signal-Rausch-Verhalten optimieren."

- Daniel Ramírez, CADETECH S.A.

Die Aufgabe:

Entwicklung eines hoch spezialisierten Dauerüberwachungssystems für elektromechanische Abbauschaufeln, um eine Strategie für die vorbeugende Wartung dieser kritischen Maschinen zu ermöglichen

Die Lösung:

Entwicklung eines voll funktionsfähigen, maßgeschneiderten Dauerüberwachungssystems mithilfe der Plattform NI CompactRIO und der Software NI LabVIEW

Eingesetzte Produkte: Programmable Automation Controller NI CompactRIO, grafische Entwicklungsumgebung NI LabVIEW, LabVIEW FPGA und LabVIEW Real-Time, Module der C-Serie


Elektromechanische Schaufeln für den Tagebau sind riesige, mobile Maschinen, die zur Beladung von Muldenkippern verwendet werden, die Eisenerz zu den Verarbeitungsanlagen transportieren. Gewöhnlich liegt das Verhältnis von Schaufel zu Muldenkipper bei etwa 1 zu 12, weshalb sich ein Ausfall direkt auf die Produktion auswirkt. Somit gelten elektromechanische Schaufeln als kritische Maschinen.

 

 

Für gewöhnlich ist es schwierig, Zustandsüberwachung und vorbeugende Maßnahmen bei diesen elektromechanischen Schaufeln zu implementieren. Grund dafür sind unzureichende Analysealgorithmen und Ausrüstung sowie die raue Umgebung. Die traditionelle Schwingungsanalyse (das wichtigste Werkzeug für die vorbeugende Wartung bei rotierenden Maschinen), die von konventioneller Ausrüstung ausgeführt wird, beruht auf der Fast-Fourier-Transformation, welche von einer konstanten Drehgeschwindigkeit ausgeht. Für die Schaufel eignet sich das allerdings nicht. Daher ist ein anderer Ansatz erforderlich.


Aus dem dringenden Bedarf, von einer reaktiven und vorbeugenden Wartungsstrategie zu einer vorausschauenden und aktiven Strategie zu wechseln, entstand SiAMFlex, das Advanced System for Flexible Monitoring. SiAMFlex war ursprünglich eine Initiative von Professor Pedro Saavedra der University of Concepción, Chile, die mit Forschungen für die Entwicklung eines Algorithmus zur Schwingungsanalyse begann, der sich für die Schwingungssignale elektromechanischer Schaufeln eignet. Die zweite Stufe nach Fertigstellung des Algorithmus umfasste die Implementierung dieser Technik als Kern eines Dauerüberwachungssystems. Jetzt wird SiAMFlex von CADETECH unterstützt und aktualisiert, um dieses Werkzeug zu pflegen.

 

Das Überwachungssystem besteht aus integrierter Ausrüstung für die Schaufeln, einem externen Server, Rechnern und Ausstattung für ein Drahtlosnetzwerk.

Zur integrierten Ausstattung der Schaufel gehören:

  • das CompactRIO-System mit dem Embedded-Chassis NI cRIO-9014 (8 Steckplätze) 
  • das Modul NI 9233 für Schwingungsmessungen 
  • das Modul NI 9237 für dynamische Dehnungsmessungen 
  • das Modul NI 9422 für präzise, hochauflösende Drehzahldaten
  • das Modul NI 9205 für ergänzende Signale vom Steuersystem der Schaufel
  • piezoelektrische Beschleunigungssensoren an den wichtigsten Rotationskomponenten der Schaufel (Motoren und Getriebe) 
  • Dehnungsmessstreifen an den wichtigsten Strukturkomponenten der Schaufel
  • Inkrementaldrehgeber an den Hauptmotoren
  • Ausstattung für ein Drahtlosnetzwerk
  • Ausstattung für die Leistungsanalyse

 

 

Das CompactRIO-System erfasst simultane Signale von Beschleunigungsmessern, Drehgebern und Dehnungsmessstreifen. Schwingungs- und Dehnungssignale werden als erstes Anzeichen für zunehmende Abnutzung laufend überwacht und mit Grenzwerten verglichen. Signale werden in regelmäßigen, vom Benutzer definierten Intervallen gespeichert, falls es zu Warn- oder Alarmmeldungen kommt. 

 

Die Überwachungsanwendung auf der CompactRIO-Plattform kann nach den besten Messzeiträumen suchen und das Signal-Rausch-Verhalten optimieren. Bei diesem Ansatz werden Daten in bestimmten vordefinierten Abständen gespeichert, um eventuelle mechanische Änderungen an der Maschine zu kontrollieren. Zudem werden Daten aufgezeichnet, wenn es zu einem plötzlichen unvorhergesehenen Ereignis kommt. In beiden Fällen werden zusätzliche Signale vom Steuersystem der Schaufel als Referenz und als weitere Korrekturmöglichkeit gespeichert.

 

Die erfassten Daten werden auf dem internen Flash-Speicher des CompactRIO zwischengespeichert und später automatisch über eine drahtlose Verbindung auf einen Master-Server übertragen. Dort werden die Daten verarbeitet, mit komplexeren Warn- und Alarmparametern verglichen und in einer Datenbank gespeichert. Falls die drahtlose Verbindung zum Server nicht verfügbar ist, besteht die Möglichkeit, über eine drahtlose Punkt-zu-Punkt-Verbindung mit kurzer Reichweite (der Anwender muss dazu nahe bei der Schaufel sein) herzustellen und Daten manuell herunterzuladen, ein Ethernet-Kabel anzuschließen oder einfach einen USB-Stick an den dafür vorgesehenen Anschluss des CompactRIO anzuschließen, wo die Daten automatisch geladen werden.

 

 

Sobald die Daten verarbeitet und gespeichert wurden, stehen sie zur Darstellung, Analyse, manuellen Verarbeitung und zum Trendmanagement durch den Anwender auf dem Server oder auf einem PC mit Netzwerkzugang zur Datenbank zur Verfügung.

 

Die gesamte Software für die Konfiguration, Datenübertragung, Darstellung und Analyse wurde mit LabVIEW erstellt.

 

Seit April 2008 werden an vier verschiedenen Tagebaustandorten in Chile neun Schaufeln kontinuierlich mit SiAMFlex überwacht. Zwei der Standorte gehören zu den größten Kupferminen der Welt. Neben Dauerüberwachungssystemen entwickelte CADETECH auch etliche tragbare Messgeräte für Schaufeln, die das SiAMFlex-System nicht verwenden. Eines davon basiert auf dem NI-CompactDAQ-System und das andere nutzt CompactRIO und den Touchpanel-PC NI TPC-2006 für die Konfiguration eines vollständig autonomen, robusten Messgeräts mit 16 Kanälen im Formfaktor eines Koffers, das Schwingungsanalysen durchführt.

 

Diese Entwicklungen sind Beweise für die Flexibilität, die Bedienfreundlichkeit und den Determinismus der Hard- und Softwareentwicklungsplattform von National Instruments.

 

 

Informationen zum Autor:

Daniel Ramírez
CADETECH S.A.
Chile
Tel: +56 41 2621500

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